昆蟲食養(yǎng)損傷對不同演替階段的樟樹揮發(fā)物釋放的影響

昆蟲食養(yǎng)損傷對不同演替階段的樟樹揮發(fā)物釋放的影響

植物釋放是一種正常的生理現(xiàn)象。這些釋放的毛發(fā)對植物或動物之間的關(guān)系以及植物之間的關(guān)系有重要意義。在很多情況下,植物釋放揮發(fā)物可能是生理過程中的正常的“泄漏”,對植物本身并沒有特別的意義(Niinemets等,2004)。然而,有研究表明,植物被昆蟲取食后,可以直接釋放警告信息素驅(qū)逐植食性昆蟲(GibsonandPickett,1983)或阻止昆蟲成蟲產(chǎn)卵(DeMoraes等,2001)。植物甚至可以通過釋放揮發(fā)物向植食性昆蟲的某種捕食者傳遞“求救”信息,吸引“敵人”的“敵人”來幫助自己抵御植食性昆蟲的危害(DeMoraes等,1998)。與此同時(shí),植食性昆蟲則可以利用植物釋放揮發(fā)物來幫助它們尋找寄主,一些植物揮發(fā)性化合物可以被植食性昆蟲利用作為昆蟲性信息素的協(xié)同增效劑(Dickens等,1990,Douglas等,1993)。植物經(jīng)昆蟲取食后其揮發(fā)性物質(zhì)的釋放量通常會顯著的增加(ParéandTumlinson,1999),但其生態(tài)學(xué)意義有待進(jìn)一步探討。有研究表明人工機(jī)械損傷后某些揮發(fā)性物質(zhì)也會顯著的增加釋放量(Ping等,2001),比較昆蟲取食與機(jī)械蟲“取食”后揮發(fā)物差異,發(fā)現(xiàn)除個別成分外,大部分揮發(fā)物成分相同,釋放量相似(Mithofer等,2005)。也有研究顯示,揮發(fā)性物質(zhì)的增加也許是因?yàn)橹彩承岳ハx口腔唾液中某些物質(zhì)誘導(dǎo)的結(jié)果(Turlings等,2000)。分子水平研究表明昆蟲取食后植物會啟動茉莉酸途徑對植食性昆蟲進(jìn)行直接或間接的防御(Turner等,2002),但是人工損傷后植物也會啟動茉莉酸途徑(Hildmann等,1992)。比較基因表達(dá)譜發(fā)現(xiàn)大部分基因表現(xiàn)一致,僅個別基因不同(Reymond等,2000)?？傮w上看,這方面的研究仍相當(dāng)不足,而比較昆蟲取食和人工損傷條件下?lián)]發(fā)性物質(zhì)的變化仍然是探討揮發(fā)物釋放生態(tài)學(xué)意義的重要方法。植物和侵咬昆蟲之間的關(guān)系往往不是簡單的一對一的關(guān)系,其相互作用是基于群落水平的(Chase等,2000;Thaler等,2001)。不同演替階段中的植物受植食昆蟲的危害的壓力不同,植物用于生長、繁殖和防衛(wèi)方面的投資比例也不一致。一些喜光的速生種可能更多的投資生長,而耐陰、生長緩慢的物種則可能更多投資防御(Coley,1983;Coley等,1985;XiangandChen,2004)。早期“顯現(xiàn)度假說”認(rèn)為,演替早期的植物不宜為草食動物所發(fā)現(xiàn),因此可以較少的投資防御物質(zhì)來抵御侵咬;而處于演替后期的植物,暴露于草食動物(昆蟲)的危險(xiǎn)性更大,因此它們需要投資較多用于廣譜的有效的防御(RhoadeandCate,1976)。但是后來的研究對這種顯現(xiàn)度假說提出質(zhì)疑(Coley,1983;Marquis,2001)。解釋植物防御植食昆蟲的另一個重要假說“資源有效性假說”則認(rèn)為,植物的生長和防御之間存在投資平衡(trade-off),不同的環(huán)境下同一種植物亦可能選擇不同的防御策略及投資重心(Coley,1983;Coley等,1985;Gulmon,1986)。早期的研究偏重于理解植物是選擇防御還是選擇忍耐(Chase等,2000),而誘導(dǎo)型化學(xué)防御,包括直接防御和間接防御,在不同演替階段的植物的防御系統(tǒng)中扮演什么角色,仍不是很清楚。本研究擬選擇生活型相同但來自于不同演替階段的5種榕樹為研究對象,比較其在一點(diǎn)擬燈蛾取食和人工損傷后揮發(fā)物差異。試圖回答以下三個問題:(1)葉片無損傷情況下5種榕樹揮發(fā)物的釋放格局是什么?(2)一點(diǎn)擬燈蛾取食與人工損傷處理下5種榕樹揮發(fā)物釋放差異比較。(3)5種榕樹植物釋放的揮發(fā)物對一點(diǎn)擬燈蛾的響應(yīng)有何差異?1材料和方法1.1試驗(yàn)材料的選擇本試驗(yàn)選用植食性昆蟲為擬燈蛾科(Hypsidae)的一點(diǎn)擬燈蛾(AsotacaricaeBoisduval)幼蟲。其對供試的幾種榕樹均有不同程度的取食(XiangandChen,2004)。試驗(yàn)選用了?？?Moraceae)榕屬(Ficus)5種榕樹作為試驗(yàn)材料。對葉榕(FicushispidaLinn.)為聚果榕亞屬(ZhouandGibert,2003),常生于低、中山雜木林中,喜光而耐旱,是一種典型的先鋒樹種(楊大榮等,2003)。蘋果榕(FicusoligodonMiq.)為聚果榕亞屬(ZhouandGibert,2003),喜生于低海拔山谷、溝邊、濕潤土壤地區(qū)。木瓜榕(FicusauriculataLour.)為聚果榕亞屬(ZhouandGibert,2003),在熱帶雨林中分布廣,常常成組出現(xiàn)。聚果榕(FicusracemosaLinn.)為聚果榕亞屬(ZhouandGibert,2003),熱帶雨林林內(nèi)、林緣,疏林間隙中都有分布。高榕(FicusaltissimaBl.)為榕亞屬(ZhouandGibert,2003),是典型的雨林頂級樹種(許再富等,1996)。1.2物理和物理處理供試5種榕樹,均選擇3月齡幼苗,設(shè)置一點(diǎn)擬燈蛾取食與人工損傷兩種處理。一點(diǎn)擬燈蛾取食處理的試驗(yàn)流程如下:對每棵植株先在正常條件下采氣2h,一點(diǎn)擬燈蛾取食處理后再采氣2h。人工損傷處理對每棵樹先在正常條件下采氣2h,人工損傷處理后再采氣2h。具體方法如下。一點(diǎn)擬燈蛾取食處理:在人工氣候箱體里面,用防蟲網(wǎng)將2～3齡已經(jīng)饑餓12h的一點(diǎn)擬燈蛾幼蟲限定在植株頂端第一片完全展開葉上,讓幼蟲在黑暗條件下取食12h。其中聚果榕因葉面積小,取兩片完全展開葉。人工損傷處理:在人工氣候箱里面,用干凈的剪刀沿葉緣剪去寬約2～3mm的一周,黑暗條件下放置3h。其中聚果榕因葉面積小,用兩片完全展開葉均剪去半周。揮發(fā)物采集:用“頂空收集法”(headspacecollection)收集植物一點(diǎn)擬燈蛾取食后釋放的揮發(fā)物。進(jìn)氣流量300ml/min,采氣流量160ml/min。進(jìn)氣管裝活性炭管過濾空氣雜質(zhì),采氣管端裝美國產(chǎn)VCT-1/4-3-SPQ吸附管吸附植物揮發(fā)物。采氣時(shí)氣溫30℃,相對濕度85%～90%。揮發(fā)物采集時(shí)光強(qiáng)度為培養(yǎng)箱左右前靠壁光強(qiáng)度6000lx,中央光強(qiáng)度3000lx左右。揮發(fā)物采集結(jié)束后用200ml色譜純二氯甲烷洗脫吸附管并將洗脫液裝棕色密封瓶-20℃低溫保存。1.3蒸發(fā)產(chǎn)物的釋放量分析將洗脫液濃縮到100μl,再加入2/10000體積濃度的正辛烷和乙酸癸酯各10μl作內(nèi)標(biāo),用美國熱電公司的Themo-FinnignTrace2000氣質(zhì)聯(lián)用儀分析植物揮發(fā)性物質(zhì)的化學(xué)成分。分析參數(shù):30m色譜柱,載氣為氦氣,載氣流量15ml/min,恒流不分流模式,進(jìn)樣2μl,電離室溫度220℃,色譜柱升溫模式為40℃維持5min,然后3℃/min升溫到180℃結(jié)束。儀器生成的譜圖在NISTMassSpectralDatabase數(shù)據(jù)庫檢索,解析出植物揮發(fā)物的種類,用AutoMassspectralDeconvolution&IdentificationSystem(AMDIS軟件)分析出每張譜圖的各化合物的峰面積,通過內(nèi)標(biāo)轉(zhuǎn)換成質(zhì)量,并除以其采氣葉面積(單位cm2)和抽氣時(shí)間(單位h),得到了每棵植株在單位小時(shí)單位平方厘米上的各揮發(fā)物的釋放量。一點(diǎn)擬燈蛾取食和人工損傷處理揮發(fā)物凈增加值用log轉(zhuǎn)換后用t檢驗(yàn)法對其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。2試驗(yàn)結(jié)果2.15葉有損傷害群落氣體成分經(jīng)過解析,5種榕樹一點(diǎn)擬燈蛾取食與人工損傷前后共釋放46種揮發(fā)物,編號如下:(1)順-3-己烯醛,(2)丁酸乙酯,(3)乙基環(huán)己烷,(4)1,2,4-三甲基環(huán)己烷,(5)葉醛,(6)β-萜品烯,(7)β-蒎烯,(8)1-異丙基-3-甲基環(huán)己胺,(9)β-月桂烯,(10)順-3-乙酸己烯酯,(11)1-甲基-2-異丙基苯,(12)桉油精,(13)順-β-羅勒烯,(14)反-β-羅勒烯,(15)石薺寧烯,(16)芳樟醇氧化物,(17)β-芳樟醇,(18)1,1-二甲基-3-亞甲基-2-乙烯基環(huán)己胺,(19)4反,6順-2,6-二甲基-2,4,6-八三烯,(20)樟腦,(21)反-3-己烯丁酸酯,(22)甲基水楊酸,(23)十二烷,(24)2,6-二甲基十一烷,(25)2-丁基-1,1,3-三甲基環(huán)己胺,(26)順-3-己烯基異戊酸,(27)吲哚,(28)α-蓽澄茄油烯,(29)胡椒烯,(30)法呢烷,(31)1,1,3-三甲基-2-(3-甲基戊烷),(32)β-欖香烯,(33)α-愈創(chuàng)烯,(34)新丁子香烯,(35)α-丁子香烯,(36)α-布藜烯,(37)1,1,4a,5,6-五甲基萘烷,(38)桉葉烷-3,7(11)-二烯,(39)β-蓽澄茄油烯,(40)α-芹子烯,(41)順,反-α-金合歡醇,(42)α-依蘭油烯,(43)α-金合歡醇,(44)δ-杜松烯,(45)榧素,(46)十六烷。葉片無損傷情況下,對葉榕葉片揮發(fā)物釋放量最大,達(dá)到1190.2±957.2pg/h/cm2,揮發(fā)量大的氣體成分為(18)1,1-二甲基-3-亞甲基-2-乙烯基環(huán)己胺和(14)反-β-羅勒烯;其次是蘋果榕,揮發(fā)物量達(dá)到321.3±548.7pg/h/cm2,大量揮發(fā)的物質(zhì)中除了(18),(14)以外,還有(43)α-金合歡醇;再次是聚果榕和木瓜榕,揮發(fā)物量分別達(dá)到45.6±84.0pg/h/cm2和55.0±66.1pg/h/cm2;高榕的揮發(fā)物量最小,僅為10.2±6.1pg/h/cm2,揮發(fā)物質(zhì)和前面幾種也不相同,主要是(6)β-萜品烯和(28)α-蓽澄茄油烯(表1)。2.25不同樹種帶增加的揮發(fā)性物質(zhì)比較人工損傷后五種榕樹揮發(fā)物單位時(shí)間單位葉面積的凈增加量(表2),結(jié)果發(fā)現(xiàn),對葉榕人工損傷后揮發(fā)物增加量最大,增加了846.6±679.5pg/h/cm2;聚果榕、蘋果榕和木瓜榕居中,分別增加了約481.6±806.6pg/h/cm2,356.5±149.1pg/h/cm2,215.4±235.5pg/h/cm2;高榕人工損傷后增加量最少,增加了38.9±15.8pg/h/cm2。比較五種榕樹人工損傷后呈大量的揮發(fā)性物質(zhì)(圖1),五樹種均有顯著增加的揮發(fā)物僅有(14)反-β-羅勒烯。先鋒種對葉榕不顯著但特異增加的揮發(fā)物有(10)順-3-乙酸己烯酯;頂級種高榕特異增加的有(7)β-蒎烯,(29)胡椒烯,(39)β-蓽澄茄油烯;三個演替中間種中僅蘋果榕(18)1,1-二甲基-3-亞甲基-2-乙烯基環(huán)己胺特異增加。此外對葉榕、聚果榕、蘋果榕的(13)順-β-羅勒烯,對葉榕和木瓜榕的(43)α-金合歡醇,木瓜榕和高榕的(44)δ-杜松烯均有顯著增加。2.34不同樹種擬燈k因?yàn)橐稽c(diǎn)擬燈蛾幼蟲不取食高榕葉片,所以沒有取食后揮發(fā)物變化數(shù)據(jù)。其它4種榕樹中,木瓜榕在一點(diǎn)擬燈蛾取食后揮發(fā)物增加量最大,增加了約2117.8±3434.2pg/h/cm2;蘋果榕和聚果榕居中,分別為220.3±242.4pg/h/cm2和100.1±123.0pg/h/cm2;對葉榕揮發(fā)物的釋放反而減少了約139.9±832.8pg/h/cm2(表2)。一點(diǎn)擬燈蛾取食處理后各樹種均顯著增加的揮發(fā)物有(14)反-β-羅勒烯,對葉榕特異增加的揮發(fā)物有(10)順-3-乙酸己烯酯,此外對葉榕、木瓜榕、蘋果榕的(43)α-金合歡醇,聚果榕的(18)1,1-二甲基-3-亞甲基-2-乙烯基環(huán)己胺,木瓜榕的(12)桉油精亦均有顯著增加(圖1)。對比四種榕樹人工損傷與一點(diǎn)擬燈蛾取食后總揮發(fā)物凈增加量差異(表2),對葉榕和聚果榕一點(diǎn)擬燈蛾取食后揮發(fā)物增加量少于人工損傷后增加量;木瓜榕一點(diǎn)擬燈蛾取食后增加量明顯多于人工損傷后增加量;僅蘋果榕人工損傷和一點(diǎn)擬燈蛾取食處理后揮發(fā)物釋放量基本相同。一點(diǎn)擬燈蛾取食與人工損傷后4種榕樹釋放的各種揮發(fā)物除對葉榕的(32)β-欖香烯,木瓜榕的(44)δ-杜松烯,蘋果榕的(18)1,1-二甲基-3-亞甲基-2-乙烯基環(huán)己胺在一點(diǎn)擬燈蛾取食后有不同程度的減少(圖中表示為空缺)外,均表現(xiàn)出增加趨勢(圖1),(14)反-β-羅勒烯是人工損傷后增加量最大的揮發(fā)物,一點(diǎn)擬燈蛾取食后增加量仍然表現(xiàn)為最大;各榕樹人工損傷后增加量位居二位的揮發(fā)物,一點(diǎn)擬燈蛾取食后仍然位居二位。其它少量增加的揮發(fā)物則出現(xiàn)一定的波動。3點(diǎn)擬燈k-本民族法的識別葉片無損傷情況下5種榕樹釋放的揮發(fā)物以先鋒種對葉榕最多,頂級種高榕最少,中間種蘋果榕、木瓜榕和聚果榕居中。與植物熱耐受相關(guān)的異戊二烯類化合物在不同的群落演替階段植物中也存在類似差異格局(Klinger等,1998;LiandKlinger,2001)。人工損傷后5種榕樹間揮發(fā)物凈增量的格局與葉片無損傷情況下基本相似(表2),均為對葉榕最多,高榕最少,聚果榕、木瓜榕和蘋果榕居中,增加的揮發(fā)物可能來自受到破壞的組織和液泡內(nèi)揮發(fā)物的直接釋放。而各榕樹葉面積與葉周長比基本相似,所以增加比例也基本相似。一點(diǎn)擬燈蛾取食后四種榕樹揮發(fā)物凈增加量呈現(xiàn)出與人工損傷處理不同的格局(表2),對葉榕揮發(fā)物釋放受到了抑制,聚果榕相對于人工損傷有所減少,蘋果榕基本持平,木瓜榕顯著增加。植物這種一點(diǎn)擬燈蛾取食與人工損傷處理后揮發(fā)物釋放格局的差異提示植物可能對昆蟲取食與人工損傷有不同的反應(yīng)模式。這也許是因?yàn)橹彩承岳ハx口腔唾液中某些物質(zhì)誘導(dǎo)的結(jié)果(Turlings等,2000),Voelckel等(2001)研究表明,煙草tobacco(NicotianatabacumLinn.)能通過識別煙草專食昆蟲Manducasexta幼蟲唾液成分調(diào)整防御策略來提高自己適合度。因此,幾種榕樹也有可能識別一點(diǎn)擬燈蛾唾液成分而采取合適自己的防御策略,但尚需進(jìn)一步研究證實(shí)。相對于蘋果榕和高榕,一點(diǎn)擬燈蛾幼蟲對先鋒種對葉榕表現(xiàn)出更強(qiáng)的取食偏好,可能是由于對葉榕有更好的營養(yǎng)價(jià)值(XiangandChen,2004),也可能是其成蟲喜歡將卵產(chǎn)于對葉榕葉片上,因?yàn)轺[翅類昆蟲對陽光充足環(huán)境的植物有產(chǎn)卵喜好(McKay,1991)。對葉榕一點(diǎn)擬燈蛾取食后揮發(fā)物釋放量反而少于正常條件下?lián)]發(fā)量,其機(jī)理有待進(jìn)一步的探討。此外,對葉榕特異釋放的(10)順-3-乙酸己烯酯(圖1)可被棉鈴蟲和蘋果蠹蛾雄蛾用作性信息素協(xié)同增效物(Douglas等,1993),且在柳屬10種植物中表現(xiàn)為此揮發(fā)物釋放越多,植物對甲蟲的抗性越弱(Peacock等,2001),(10)順-3-乙酸己烯酯的存在也許也揭示了對葉榕抗性系統(tǒng)的脆弱。三個中間種中,聚果榕其營養(yǎng)成分與對葉榕相似,對一點(diǎn)擬燈蛾也有較強(qiáng)的吸引(XiangandChen,2004),一點(diǎn)擬燈蛾取食后揮發(fā)物增加量也少于人工損傷后增加量,既沒有被顯著壓制,也沒有相對人工損傷的顯著增長和廣譜殺蟲劑的釋放,表現(xiàn)為一種過渡類型,其喜陽又耐陰的特性印證了這一點(diǎn)。木瓜榕和蘋果榕營養(yǎng)成分相對較差,葉片硬度也要大很多,具有對一點(diǎn)擬燈蛾的抗性特征(XiangandChen,